為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)壽命是否滿足使用要求，進(jìn)行了此次變速器齒輪、軸承疲勞壽命試驗(yàn)。17H 型機(jī)械式變速器是NJ17 系列機(jī)械式變速器的最新改進(jìn)型號(hào)，它采用IVECO“S”系列28024 變速器的先進(jìn)結(jié)構(gòu)并使其符合NJ1061 系列汽車的安裝和換檔操作要求，是為配合高速環(huán)保車而設(shè)計(jì)的一種新型的具有先進(jìn)技術(shù)的機(jī)械式手動(dòng)變速器。在試驗(yàn)過程中應(yīng)用了VDM1000 汽車變速器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和南京汽車研究所共同研制）對(duì)其齒輪、軸承等部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)了試驗(yàn)的早期故障，及時(shí)解決問題，保證了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。
1 變速器試驗(yàn)故障監(jiān)測(cè)原理
1.1 汽車變速器的失效形式和原因
變速器是重要的傳動(dòng)裝置，各種機(jī)械中造成其失效的原因主要是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、裝配和制造不良及維護(hù)操作不善引起的。變速器中各類零件損壞的百分比如下表所示。
由此可見，齒輪本身的失效比重最大，占60%，軸承的失效比重次之，占19%。一般情況下，常見的齒輪失效形式有四種: 斷裂、磨料磨損、粘附磨損或擦傷，以及疲勞剝落。滾動(dòng)軸承失效的基本形式有：
磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。
1.2 齒輪的振動(dòng)分析
齒輪具有質(zhì)量，輪齒的柔性可看作彈簧，所以若以一對(duì)輪齒為研究對(duì)象，則該齒輪副可以看作是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1 所示。
圖 1 齒輪副力學(xué)模型
其振動(dòng)方程為：
式中 X--沿作用線上齒輪的相對(duì)位移；
C--齒輪嚙合阻尼；
K(t) --齒輪嚙合剛度；
T1、T2--分別作用于主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪上的扭矩；
r2--從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑；
i--齒輪副的傳動(dòng)比；
E(t) --由于輪齒變形、誤差及故障而造成的兩個(gè)輪齒在作用線方向上的相對(duì)位移；
Mr--換算質(zhì)量，Mr=M1M2/（M1+M2）。其中M1、M2 為主動(dòng)、從動(dòng)齒輪的質(zhì)量。
若齒輪副主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n1，齒數(shù)為z1；從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n2，齒數(shù)為z2，則齒輪嚙合剛度的變化頻率（即嚙合頻率）為：
1.3 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)分析
滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)，即使是新的軸承也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。其主要有下列兩種振動(dòng)組合而成：第一種是由于軸承滾動(dòng)元件的不圓度、凹凸不平的粗糙度和波紋度引起的振動(dòng)；第二種是由于外力的激勵(lì)而引起的軸承各元件，在其固有頻率上的振動(dòng)。
由于潤(rùn)滑不良和混入異物等原因使?jié)L動(dòng)元件表面劣化，致使?jié)L動(dòng)表面原來的不平程度變得更加厲害，這種不平仍具有隨機(jī)性。因此，由此而引起的振動(dòng)也保持其隨機(jī)性，只是由于凹凸形狀的變大，相應(yīng)的激振力也增大。因此，由此所產(chǎn)生的振動(dòng)其振幅也相應(yīng)增大。
當(dāng)軸承的滾動(dòng)體表面上產(chǎn)生剝落和裂紋等局部缺陷時(shí)，隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，缺陷部分每當(dāng)與其他元件表面接觸一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊激振力，該沖擊具有明顯的周期性。這種周期性脈沖振動(dòng)一旦出現(xiàn)，就告訴人們：該軸承的某個(gè)元件已經(jīng)產(chǎn)生了某種缺陷。
滾動(dòng)軸承缺陷的振動(dòng)特征頻率如下：
式中 f0--旋轉(zhuǎn)軸的頻率，f0=n1/60；
n1--軸轉(zhuǎn)速（r/min）；
n--滾動(dòng)體數(shù)目；
D--軸承滾道節(jié)距；
d--滾動(dòng)體直徑；
α--接觸角。
對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。如果在譜圖中出現(xiàn)上述公式描述的特征頻率成分時(shí)，就被認(rèn)為對(duì)應(yīng)的各軸承元件有缺陷存在。
1.4 故障診斷的基本過程
故障診斷最基本的問題就是運(yùn)用診斷知識(shí)對(duì)設(shè)備的有關(guān)狀態(tài)進(jìn)行模式識(shí)別，其過程可表述為圖2 所示。
圖2
2 DM-1000 汽車變速器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
VDM-1000 汽車變速器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用單臺(tái)微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)及處理結(jié)果的顯示與打印。具體來說，該系統(tǒng)的硬件主要由傳感器（加速度、扭矩、轉(zhuǎn)速）及其適調(diào)放大器、多路開關(guān)、濾波器、A/D 板、AT 微機(jī)及其外設(shè)等組成，見圖3。
(1) 加速度傳感器輸出的是電荷量，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓量，然后按以下路徑分別處理：
(2) 經(jīng)抗混疊低通濾波器（截至頻率為16kHz），作為原始信號(hào)保留，被進(jìn)一步分析使用。
(3) 經(jīng)可調(diào)中心頻率帶通濾波器，濾去與故障頻率無關(guān)的頻率成分，作監(jiān)測(cè)信號(hào)用。
(4) 經(jīng)帶通濾波器和包絡(luò)檢波器，作信號(hào)的包絡(luò)譜分析。觀察特征頻率成分的變化情況，可作為精密故障診斷和故障定位。
(5) 轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是正弦波，正弦波的頻率反映了轉(zhuǎn)速的大小。經(jīng)轉(zhuǎn)速扭矩儀輸出的是電壓值。根據(jù)測(cè)得的轉(zhuǎn)速可計(jì)算出齒輪和軸承的特征頻率。
(6) 扭矩輸出形式是電壓值。對(duì)扭矩變化的監(jiān)測(cè)可使計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)了解變速器工況。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
VDM-1000 汽車變速器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是由初始化模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)分析模塊、趨勢(shì)分析模塊、文件管理模塊和標(biāo)定模塊等組成。并有求助模塊給用戶必要的幫助信息。
3 試驗(yàn)情況
3.1 監(jiān)測(cè)診斷方法
試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)被監(jiān)測(cè)的變速器作變速試驗(yàn)，得到不同轉(zhuǎn)速下箱體振動(dòng)信號(hào)的譜陣圖。通過對(duì)譜陣圖的相關(guān)分析，找出箱體的共振頻帶，作為監(jiān)測(cè)用頻帶。然后初始化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在所監(jiān)測(cè)的變速器上拾取正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)。帶通濾波器的通帶設(shè)在箱體的共振頻帶，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即可計(jì)算出正常狀態(tài)下帶通信號(hào)的均方根值RMS0、峭度系數(shù)KV0 和頻帶能量SE0。試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的均方根值、峭度系數(shù)和頻帶能量，與初始值進(jìn)行比較，以確定被試變速器試驗(yàn)進(jìn)展情況。
3.2 測(cè)點(diǎn)位置的選擇
在變速器殼體上不同位置上的點(diǎn)，由于信號(hào)傳遞路徑不同，因而對(duì)同一激勵(lì)的響應(yīng)也有所差異。變速器軸承支座處對(duì)軸承的振動(dòng)響應(yīng)比較敏感，此處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以較好地接收軸承振動(dòng)信號(hào)，而殼體中上部比較靠近齒輪的嚙合點(diǎn)，便于監(jiān)測(cè)齒輪的試驗(yàn)情況。為盡量減小信號(hào)傳遞的中間環(huán)節(jié)，本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在變速器三個(gè)軸的軸承支座及變速器殼體的中上部。與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，第一通道為殼體處、第二至第四通道分別為一軸軸承、中間軸兩端軸承處。
3.3 試驗(yàn)情況
經(jīng)過60h 試驗(yàn)后，通過故障診斷系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)顯示，在第二通道發(fā)出警告信息，進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)譜圖顯示的能量增加（對(duì)比于試驗(yàn)初期時(shí)的能量），對(duì)比圖形見圖4。初步判定為一軸軸承發(fā)生故障，及時(shí)停機(jī)進(jìn)行變速器拆檢，果然為一軸軸承由于安裝不當(dāng)造成偏磨，從而引起內(nèi)圈磨損。及時(shí)更換該軸承，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。
圖4 頻譜圖對(duì)比
3.4 試驗(yàn)分析
試驗(yàn)所用一軸軸承為7206E 軸承，其尺寸參數(shù)如下：
軸承滾道節(jié)距 D=46mm，滾動(dòng)體直徑d=8mm，接觸角α=14°，滾動(dòng)體數(shù)目n=15.
計(jì)算軸承各部件的頻率如下：
以上計(jì)算為理論值，實(shí)際的頻率應(yīng)在理論值附近。由試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中的頻譜圖及波形圖中顯示，在1700Hz時(shí)振動(dòng)增大。1700Hz 近似為321.4Hz 頻率的5 倍，故而判定為軸承內(nèi)圈損壞。
4 結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)當(dāng)指出的是，使用的變速器故障診斷是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，成功與否不僅決定于診斷系統(tǒng)提供的分析功能和診斷方法的有效性，還取決于操作人員的實(shí)際水平。變速器故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的發(fā)展方向是提高系統(tǒng)的智能化水平，開發(fā)變速器故障診斷的專家系統(tǒng)。伴隨著科技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，故障診斷越來越為人們所接受，振動(dòng)學(xué)的深入研究及分析軟件的進(jìn)一步開發(fā)，將使故障診斷的實(shí)施操作日益簡(jiǎn)易，也必將使診斷的精度日臻準(zhǔn)確。
（轉(zhuǎn)載）
